Batérie sú nevyhnutné pre globálne úsilie o zníženie spotreby fosílnych palív. Výzvy však pretrvávajú: ich výroba si vyžaduje veľa energie, použité materiály sú vzácne a batérie sa ťažko recyklujú. Niekoľko výskumných skupín na Inštitúte vedy a techniky v Rakúsku (ISTA) preto pracuje na nových, ekologickejších a účinnejších batériách.

Lítium-iónové (Li-ion) batérie sú nevyhnutné v každodennom živote mnohých ľudí, od mobilných telefónov cez notebooky až po elektrické vozidlá. Napriek tomu to, čo sa zdá byť prínosom, spôsobuje množstvo problémov: Kovy používané v batériových článkoch – najmä kobalt a lítium – možno získať len na niekoľkých miestach. V dôsledku toho sa ničia ekosystémy, ľudia sa namáhajú v katastrofálnych pracovných podmienkach a priemysel je závislý od krehkého dodávateľského reťazca, kde by náhle prerušenie mohlo mať drastické následky.

Výskumné skupiny v oblasti chémie a fyziky na Inštitúte vedy a techniky v Rakúsku (ISTA) sa snažia riešiť tieto problémy. Všetky ich projekty majú rovnaký cieľ: Hľadanie nových materiálov, aby boli batérie udržateľnejšie.

Recyklácia prostredníctvom živej prírody

Rok 2021 bol prvým rokom, v ktorom cena lítium-iónových batérií vzrástla. „Dôvodom je nedostatok kobaltu a lítia v kombinácii s raketovo rastúcim dopytom, ktoré sú nevyhnutné pre lítium-iónové batérie v ich súčasnej podobe,“ hovorí Stefan Freunberger, odborný asistent na ISTA. Dobrá správa: Kobalt môžete nahradiť – presne to, čo má Freunberger v úmysle urobiť. Jeho výskumná skupina sa zameriava na výrobu batérií tak výkonných ako lítium-iónové batérie, ale len z veľmi hojných prvkov. Najmä používajú organické materiály pozostávajúce iba z prvkov, ako je uhlík, vodík a kyslík, ktoré pochádzajú – ako už názov napovedá – z organických zdrojov. Výskumná skupina tiež skúma priame použitie anorganických prvkov, ako je síra.

Navyše, na rozdiel od materiálov na báze kobaltu, tieto materiály majú potenciál byť plne recyklované živou prírodou a celková energia na výrobu batérií sa môže znížiť. „Výroba lítium-iónových batérií bežne spotrebuje veľa energie a má veľkú CO2 stopu. Použitím správnych materiálov môžete tieto hodnoty rádovo znížiť,“ hovorí Freunberger. „Ak všetko pôjde dobre, v priebehu niekoľkých rokov budeme mať funkčné batérie s organickými prvkami. Ešte nie sme pripravení na komercializáciu, ale naše výsledky sú sľubné,“ uzatvára Freunberger.

Horčík: Svetielko nádeje

Jedným z materiálov, ktoré by sa dali ťažiť ekologicky, je horčík. Okrem toho je to jeden z desiatich najbežnejších prvkov v zemskej kôre. Tento lesklý strieborný ľahký kov je stredobodom pozornosti „MAGNIFICO“. Výskumníci z Rakúskeho technologického inštitútu (AIT) a ISTA spájajú svoje sily v tomto projekte financovanom rakúskou agentúrou na podporu výskumu (FFG). Spoločne sa snažia použiť horčík pre anódu batérie namiesto lítia. Napriek tomu, že horčík má vo všeobecnosti správne elektrochemické vlastnosti, horčíkové anódy sú nekompatibilné s väčšinou elektrolytov – média, ktoré umožňuje prúdenie prúdu v batérii.

Najmä elektrolyt sa rozkladá v prítomnosti horčíka, čím sa obmedzuje elektrická vodivosť. Na prekonanie tohto kritického problému projektový tím pracuje na vytvorení štítu pre anódu, ktorý zabraňuje rozkladu elektrolytu. Odborná asistentka ISTA Bingqing Cheng a jej výskumná skupina v rámci tohto ambiciózneho projektu poskytujú výpočty a strojové učenie na lepšie pochopenie a predpovedanie vlastností materiálov.

Prepracované priemyselné batérie

Zatiaľ čo lítium-iónové batérie sa inštalujú hlavne do nespočetných elektrických spotrebičov nášho každodenného života, výskumná skupina profesorky Verbund Maria Ibáñez z ISTA uvažuje viac. „Priemyselné spoločnosti majú najvyšší dopyt po energii,“ vysvetľuje Mario Palacios Corella, postdoc v skupine Ibáñez. „Naším cieľom je napájať ich pomocou novej, udržateľnejšej technológie redox prietokových batérií.“

„V batériách s redoxným prietokom sa chemické látky náchylné na získavanie alebo stratu elektrónov rozpúšťajú v elektrolytoch a uchovávajú sa v dvoch rôznych nádržiach,“ pokračuje Corella. Keď je potrebná energia, elektrolyty sa čerpajú do reakčnej komory, kde sú oba elektrolyty oddelené membránou, ktorá umožňuje tok iónov, ale nie rozpustených chemických látok. Spontánna elektrochemická reakcia prebiehajúca na oboch stranách membrány vedie k toku elektrónov, čím sa generuje prúd. „Využitím fyzikálnych vlastností elektrolytov a hraním sa s ich miešateľnosťou sa môžeme zbaviť membrány. Toto je prielom,“ dodáva mladý chemik.

Od hojných prvkov ako náhrady za vzácne kovy až po úplne nové materiály – so svojimi inovatívnymi prístupmi vedci z ISTA pracujú na základoch ekologickejších a udržateľnejších energetických systémov.

Zdroj: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=62809.php